一种管式连续亚微通道微气泡生物反应器

技术领域

本发明属于化工技术领域，具体涉及一种管式连续亚微通道微气泡生物反应器。

背景技术

生物制品在百姓生活、医药、材料、军工、通讯、能源等领域的应用越来越广泛，可以说直接关系到国家安全，然而，生物反应器是生物制品生产的核心设备；生物反应器的先进与否直接影响到产品的质量与成本，也就影响到产品的推广与应用。目前，生物反应器有搅拌式、气升式、自吸式和鼓泡式，大部分是间隙化、大型化的，并且是属于压力容器；因此，当前的生物反应器不仅制造成本高同时设备操作的危险性也比较高。如何将生物反应设备做成连续化、小型化，这可能是受不同微生物本身特有属性影响，但最主要的因素可能是受生物反应器的传质传热影响；特别是气液、气液固等多相传质传热的影响。

对于大部分气液传质反应来说，传质过程贯穿整个传质-反应的控制过程，气液传质主要阻力来自于液膜和气泡内压，若气泡直径小，内压高，可以强化气液传质速率，同时直径小的气泡不仅可以增大气液反应的比表面积，还能延长气泡在溶液中的停留时间，延长反应时间；另外，强化液相湍动将有助于减小传质阻力。

传统的鼓泡反应器一般采用简单管式打孔型气体分布器，这种气体分布器容易产生几厘米甚至十几厘米直径的气泡，虽然可以用于慢速反应体系，但反应体系内液体会返混严重，气泡易产生聚并，反应效率低。对于慢速反应体系，化学反应速率比扩散速率低，化学反应主要在液相中进行，为动力学控制。

同时，由于现在的生物反应器体系都比较大，传质传热主要通过机械搅拌或气体搅拌，这不仅需要消耗大量的能耗，而且还会造成反应体系返混影响气液固传质，造成生产成本升高。

因此，目前急需寻求一种既能解决当前生物反应器传质传热，又能降低生产设备的制造成本和产品的生产成本。本申请提出了一种连续化、小型化的设备能解决此问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种管式连续亚微通道微气泡生物反应器，其不仅能连续反应也能间隙反应，还利用一种新式结构的旋转叶轮来制备微气泡，同时，本反应器还利用流体振荡器和亚微管道静态混合器来加强流体混合并防止流体出现返混从而阻止气泡聚并，提高传质传热效率降低生产成本；本发明的体量小，制造成本低且安全性能高。该反应器具有气液混合效果好，结构简单，维修方便，操作灵活等特点。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种管式连续亚微通道微气泡生物反应器，包括沿料液流动方向呈闭环依次连接的控制罐、料液循环蠕动泵、微气泡发生器、流体振荡器、亚微管道静态混合器，所述控制罐上设有尾气出口、控制罐进料口、控制罐出料口和控制罐料液循环口，所述控制罐的出料口通过管道与料液循环蠕动泵的进料口连接，亚微管道静态混合器的出料口与料液循环口连通，在位于亚微管道静态混合器和控制罐之间的管道上设有系统取样及出料口；所述微气泡发生器连接有气体或蒸汽进料管，微气泡发生器包括旋转叶轮，所述旋转叶轮包括叶轮盖和叶轮主体，所述叶轮主体包括一体成型的微气泡发生板和环形侧板，所述微气泡发生板的上端面上设有气液流道，在气液流道外周侧设有填料槽，填料槽与气液流道连通，环形侧板箍设在微气泡发生板上，在环形侧板上均布有多个通孔，通孔与填料槽连通；在微气泡发生板和叶盖上相对设有多个螺栓孔，所述叶轮盖和叶轮主体通过螺栓连接，叶轮盖的中部向上凸起形成环形凸台，在环形凸台中部设有与气体或蒸汽进口。

进一步的，所述气液流道由垂直设有微气泡发生板上的多个隔壁分隔而成，多个所述隔壁包括多个第一弧形隔壁和多个第二弧形隔壁，所述第一弧形隔壁和第二弧形隔壁沿周向交替设置，第一弧形隔壁的一端与环形凸台的外侧壁固定连接，第二弧形隔壁靠近环形凸台的一端与环形凸台的外侧壁间隔设置，第一弧形隔壁和第二弧形隔壁远离环形凸台的一端位于同一圆的外缘，第二弧形隔壁和第一弧形隔壁之间形成气液强制混合及甩出流道。

进一步的，所述气液流道由垂直设有微气泡发生板上的多个隔壁分隔而成，多个所述隔壁包括多个第一长方形隔壁，多个所述第一长方形隔壁沿周向均布在环形凸台的周侧，且第一长方形隔壁靠近环形凸台的一端与环形凸台间隔设置；在相邻两个第一长方形隔壁之间沿镜像自内向外依次间隔设有第一菱形隔壁和第二长方形隔壁，第一菱形隔壁的两侧与两个第一长方形隔壁间隔设置，且第一菱形隔壁和第二长方形隔壁沿径向的中心轴线与两个第一长方形隔壁的对称线重合；在第二长方形隔壁的两个对称设有两个第二菱形隔壁，两个所述第二菱形隔壁的左右两侧与第一长方形隔壁和第二长方形隔壁均间隔设置；第一长方形隔壁、第二长方形隔壁和第二菱形隔壁远离环形凸台的一端位于同一圆的外缘，第二弧形隔壁和第一弧形隔壁之间形成气液强制混合及甩出流道。

进一步的，所述微气泡发生器还包括筒体、磁流体密封件、电机和叶轮罩，所述叶轮罩和旋转叶轮设于筒体内部，叶轮罩悬挂于筒体顶板的内侧壁上，在叶轮罩顶板上设有开口，旋转叶轮置于叶轮罩内，旋转叶轮的环形凸台设在开口内，所述筒体顶板上设有安装口，侧壁上设有微气泡发生器料液出口和微气泡发生器料液进口，磁流体密封件置于筒体的上端面上，磁流体密封件中导磁传动轴的上端与电机的输出轴连接，在导磁传动轴内部沿其长度方向设有进料道，在磁流体密封件上设有与进料道垂直相交设置的气体或蒸汽流道，气体或蒸汽进料管与气体或蒸汽流道连通，进料道的下端口自安装口伸入筒体内部与旋转叶轮的进料端口对接连接。

进一步的，所述叶轮罩包括自下而上依次间隔设置的环形顶板、环形支撑板和环形底板，在所述环形底板和环形支撑板之间均布有多个支撑柱，在所述环形支撑板和环形底板之间连接有多个沿径向设置的导流板；所述环形凸台开设在环形顶板上，在环形底板中部的开口为料液进口；在环形顶板上均布有多个固定螺栓孔，叶轮罩通过穿设固定螺栓孔的螺栓与筒体连接。

进一步的，所述流体振荡器的内腔包括进口渐缩段、扩散腔、导流凸台及出口扩散段，所述微气泡发生器料液出口与进口渐缩段连通，所述进口渐缩段与扩散腔相连，所述导流凸台置于扩散腔内，扩散腔与出口扩散段相连，出口扩散段与亚微管道静态混合器进料口连通。

进一步的，所述亚微管道静态混合器包括多个静态混合器管体，在所述静态混合器管体内部设有强化混合元器件，在静态混合器管体外部套设有换热夹套，沿液体流动方向，前一静态混合器管体的出口端和后一静态混合器管体的进口端通过U型弯管连接，且相邻两个静态混合器管体上的换热夹套通过管道连通，在靠近流体振荡器的换热夹套上设有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口在靠近控制罐的换热夹套上设有蒸汽进口和冷却水出口。

进一步的，所述强化混合元器件为180°或270°正反螺旋片、相邻单元双孔道的方位错位90°的螺旋片和由互相交叉的横条组成长度单元中的一种或多种，横条与管壳的轴线呈45°。

进一步的，多个所述静态混合器管体和U型弯管通过法兰、卡套、卡箍中的一种或多种连接。

进一步的，在所述控制罐上设有补料口和控制罐视镜，控制罐的料液循环口是沿控制罐罐体的切线方向设置；所述控制罐直径为250mm，高为500mm，高径比达到2:1，微气泡发生器罐体直径为200mm，高为200~300mm；所述微气泡发生器的叶轮转速为1000~3000rpm，优选2000~2500rpm；所述填料为金属丝网、陶瓷颗粒、小型拉西环中的一种或多种。

本发明的微气泡发生器能产生微米级气泡，发生器结构简单，成本低廉；同时不局限于生物反应器，也可以用于一般的气液两相和气液固三相体系的反应。

本发明利用换热夹套对系统灭菌或温度进行控制，由于亚微管道的换热比表面积较大，能很好控制系统温度。灭菌时，蒸汽从静态混合器上面进入静态混合器夹套，然后依次沿静态混合器向下，从最下面的静态混合器流出蒸汽冷凝水。灭菌后，冷却水从最下面的静态混合器进入，沿静态混合器依次向上，然后从最上面的静态混合器流出。培养时温度控制过程为加热用热水或降温用冷却水从最下面的静态混合器夹套流入，依次沿静态混合器夹套向上，从最上面的静态混合器夹套流出。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1、本发明的生物反应器本着连续化、小型化装备设计，具有较大的生产能力以及较高的安全性；

2、本发明采用特殊结构制备微气泡，具有节能及防止堵塞以及提高了气液接触面积，大大提高了传质效率；

3、本发明利用流体振荡器和亚微管道静态混合器结构可以防止流体大面积返混，提高系统的传质效率，同时由于亚微管道具有较大的传热面积也大大提高换热效果；

4、本发明控制罐循环回流管的切线设计，有利于反应后气液分离，尽快将发酵有害气体排出系统；

5、本发明的快开结构有利于装置的拆洗，保证微生物培养质量；

6、本发明中的气液反应器结构简单，成本低廉；

7、本发明中的气液反应器适用性广泛，不局限于生物反应器，也可以用于一般的气液两相和气液固三相体系的反应。

附图说明

图1为本发明所述的管式连续亚微通道微气泡生物反应器的结构示意图。

图2为本发明所述的微气泡发生器的结构示意图。

图3为本发明所述的旋转叶轮的组装结构示意图。

图4为本发明实施例1所述的微气泡发生板的结构示意图。

图5为本发明实施例2所述的微气泡发生板的结构示意图。

图6为本发明所述的流体振荡器的结构示意图。

图7为本发明所述的叶轮罩的结构示意图。

图8为本发明所述的亚微静态混合器夹套灭菌、冷却和温度控制的流程流向图。

其中，1-控制罐；2-料液循环蠕动泵；3-微气泡发生器；4-流体振荡器；5-亚微管道静态混合器；6-系统取样及出料口；11-尾气出口；12-补料口；13-控制罐进料口；14-控制罐视镜；15-控制罐循环出料口；16-控制罐料液循环口；31-磁流体密封件；32-电机，33-气体或蒸汽进料管，34-微气泡发生器料液出口，35-叶轮罩，36-旋转叶轮，37-筒体，38-微气泡发生器料液进口，311-气体或蒸汽流道，312-进料道，361-叶轮盖，362-微气泡发生板，363-环形侧板，362-1-填料槽，361-1-螺栓孔，361-2-环形凸台，364-第一弧形隔壁， 365-第二弧形隔壁，366-第一长方形隔壁，367-第一菱形隔壁，368-第二长方形隔壁， 369-第二菱形隔壁，351-环形顶板，352-环形支撑板，353-环形底板，354-支撑柱，355-导流板，353-1-料液进口，351-1-定螺栓孔，41-进口渐缩段，42-扩散腔，43-导流凸台，44-出口扩散段，51-静态混合器管体，52-强化混合元器件，53-换热夹套，54-U型弯管，55-卡箍，56-蒸汽冷凝水出口和冷却水进口，57-蒸汽进口和冷却水出口。

实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1-4和图6-8所示的一种管式连续亚微通道微气泡生物反应器，包括沿料液流动方向呈闭环依次连接的控制罐1、料液循环蠕动泵2、微气泡发生器3、流体振荡器4、亚微管道静态混合器5，所述控制罐1上设有尾气出口11、控制罐进料口13、控制罐循环出料口15、补料口12、控制罐视镜14和控制罐料液循环口16，控制罐1的料液循环口是沿控制罐1罐体的切线方向设置，所述控制罐循环出料口15通过管道与料液循环蠕动泵2的进料口连接，亚微管道静态混合器出料口与控制罐料液循环口16连通，在位于亚微管道静态混合器5和控制罐1之间的管道上设有系统取样及出料口6；所述微气泡发生器3连接有气体或蒸汽进料管33，所述微气泡发生器3包括筒体37、磁流体密封件31、电机32、叶轮罩35和旋转叶轮36，所述叶轮罩35和旋转叶轮36设于筒体37内部，叶轮罩35悬挂于筒体37顶板的内侧壁上，在叶轮罩35顶板上设有开口，旋转叶轮36的进料端口卡设在开口内，所述筒体37顶板上设有安装口，侧壁上设有微气泡发生器料液出口34和微气泡发生器料液进口38，微气泡发生器料液出口34与流体振荡器4的进料口连接，微气泡发生器料液进口38与料液循环蠕动泵2的出料口连通，磁流体密封件31置于筒体37的上端面上，磁流体密封件31中导磁传动轴的上端与电机32的输出轴连接，在导磁传动轴内部沿其长度方向设有进料道312，在磁流体密封件31上设有与进料道312垂直相交设置的气体或蒸汽流道311，气体或蒸汽进料管与气体或蒸汽流道311连通，进料道312的下端口自安装口伸入筒体37内部与旋转叶轮36的进料端口对接连接；所述旋转叶轮36包括叶轮盖361和叶轮主体，所述叶轮主体包括一体成型的微气泡发生板362和环形侧板363，所述微气泡发生板362的上端面上设有气液流道，在气液流道外周侧设有填料槽362-1，填料槽362-1与气液流道连通，填料槽362-1内填充有填料，环形侧板363箍设在微气泡发生板362上，在环形侧板363上均布有多个通孔，通孔与填料槽362-1连通；在微气泡发生板362和叶盖361上相对设有多个螺栓孔361-1，所述叶轮盖361和叶轮主体通过螺栓连接，叶轮盖361的中部向上凸起形成环形凸台361-2，在环形凸台361-2中部设有与气体或蒸汽进口；所述气液流道由垂直设有微气泡发生板362上的多个隔壁分隔而成，多个所述隔壁包括多个第一弧形隔壁364和多个第二弧形隔壁365，所述第一弧形隔壁364和第二弧形隔壁365沿周向交替设置，第一弧形隔壁364的一端与环形凸台361-2的外侧壁固定连接，第二弧形隔壁365靠近环形凸台361-2的一端与环形凸台361-2的外侧壁间隔设置，第一弧形隔壁364和第二弧形隔壁365远离环形凸台361-2的一端位于同一圆的外缘，第二弧形隔壁365和第一弧形隔壁364之间形成气液强制混合及甩出流道；填料为金属丝网、陶瓷颗粒、小型拉西环中的一种或多种。

所述叶轮罩35包括自下而上依次间隔设置的环形顶板351、环形支撑板352和环形底板353，在所述环形底板353和环形支撑板352之间均布有多个支撑柱354，在所述环形支撑板352和环形底板353之间连接有多个沿径向设置的导流板355；所述环形凸台361-2开设在环形顶板351上，在环形底板353中部的开口为料液进口353-1；在环形顶板351上均布有多个固定螺栓孔351-1，叶轮罩35通过穿设固定螺栓孔351-1的螺栓与筒体37连接。所述流体振荡器4的内腔包括进口渐缩段41、扩散腔42、导流凸台43及出口扩散段44，所述微气泡发生器料液出口34与进口渐缩段41连通，所述进口渐缩段41与扩散腔42相连，所述导流凸台43置于扩散腔42内，扩散腔42与出口扩散段44相连，出口扩散段44与亚微管道静态混合器5的进料口连通。

所述亚微管道静态混合器5包括多个静态混合器管体51，在所述静态混合器管体51内部设有强化混合元器件52，在静态混合器管体51外部套设有换热夹套53，沿液体流动方向，前一静态混合器管体51的出口端和后一静态混合器管体51的进口端通过U型弯管54连接，静态混合器管体51和U型弯管54通过卡箍55中连接，相邻两个静态混合器管体51上的换热夹套53通过管道连通，在靠近流体振荡器的换热夹套53上设有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口56在靠近控制罐的换热夹套53上设有蒸汽进口和冷却水出口57。

所述强化混合元器件52为180°或270°正反螺旋片、相邻单元双孔道的方位错位90°的螺旋片和由互相交叉的横条组成长度单元中的一种或多种，横条与管壳的轴线呈45°。

所述控制罐1直径为250mm，高为500mm，高径比达到2:1，微气泡发生器3筒体直径为200mm，高为200~300mm;所述微气泡发生器3的叶轮转速为1000~3000rpm，优选2000~2500rpm。

本发明微气泡发生器3的新鲜空气由气体或蒸汽进料管进入，经过磁流体密封件到达发生器旋转叶轮，在电机带动使叶轮高速旋转，液体和气体在叶轮中通过特殊流道及填料的剪切后产生微气泡进入反应系统。微气泡混合液在蠕动泵的推动下进入流体振荡器，在流体振荡器中由于附壁效应，会产生振荡射流，实现流体自振荡，这样可以加强混合；然后，流体继续进入亚微管道静态混合器中通过静态混合器的元器件加强气液固混合；最后，反应液循环回至控制罐或出料。

通过上述装置利用热带假丝酵母制备核糖核酸（RNA）：制备好的培养液从装置进液口13进入控制罐，启动循环蠕动泵2，先对培养液进行灭菌，蒸汽从亚微静态混合器夹套内介质进口54进入夹套对培养液升温，蒸汽冷凝水通过夹套内介质出口51排出，当溶液升至100℃，关闭夹套升温，采用蒸汽继续对培养液升温至121℃，灭菌30分钟，温度通过温度计探头反映在仪表上，灭菌结束后，开启微气泡器3进气口33使得无菌空气进入系统保持系统内压力在0.1MPa，开启静态混合器夹套内介质进口51和夹套内介质出口54，对培养液进行降温，等培养液温度为30℃停止降温，接入菌种进行培养，在温度30℃、pH=4.0条件下连续培养。在控制pH=4.0条件下，连续补加800 g·L

实施例

如图1-3、图5和图6-8所示，本实例采用的装置与实施例1大致相同，区别在于本实施例中旋转叶轮36的气液流道由垂直设有微气泡发生板上的多个隔壁分隔而成，多个所述隔壁包括多个第一长方形隔壁366，多个所述第一长方形隔壁366沿周向均布在环形凸台361-2的周侧，且第一长方形隔壁366靠近环形凸台361-2的一端与环形凸台361-2间隔设置；在相邻两个第一长方形隔壁366之间沿镜像自内向外依次间隔设有第一菱形隔壁367和第二长方形隔壁368，第一菱形隔壁367的两侧与两个第一长方形隔壁366间隔设置，且第一菱形隔壁367和第二长方形隔壁368沿径向的中心轴线与两个第一长方形隔壁366的对称线重合；在第二长方形隔壁368的两个对称设有两个第二菱形隔壁369，两个所述第二菱形隔壁369的左右两侧与第一长方形隔壁366和第二长方形隔壁368均间隔设置；第一长方形隔壁366、第二长方形隔壁368和第二菱形隔壁369远离环形凸台361-2的一端位于同一圆的外缘，第二弧形隔壁365和第一弧形隔壁364之间形成气液强制混合及甩出的多剪切流道，其他类似结构也可以设计。

采用上述装置利用谷氨酸棒状杆菌制备赖氨酸盐酸盐：制备好的培养液从装置进液口13进入控制罐，启动循环蠕动泵2，先对培养液进行灭菌，蒸汽从亚微静态混合器夹套内介质进口54进入夹套对培养液升温，蒸汽冷凝水通过夹套内介质出口51排出，当溶液升至100℃，关闭夹套升温，采用蒸汽继续对培养液升温至121℃，灭菌30分钟，温度通过温度计探头反映在仪表上，灭菌结束后，开启微气泡器3进气口33使得无菌空气进入系统保持系统内压力在0.1MPa，开启静态混合器夹套内介质进口51和夹套内介质出口54，对培养液进行降温，等培养液温度为30℃停止降温，接入菌种进行培养，在温度30℃、pH=4.0条件下连续培养。在控制pH=4.0条件下，连续补加800 g·L

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。